JPWO2016132414A1 - 蓄電モジュール、蓄電装置、蓄電システム、制御方法、電子機器、電動車両および電力システム - Google Patents

蓄電モジュール、蓄電装置、蓄電システム、制御方法、電子機器、電動車両および電力システム Download PDF

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Abstract

蓄電装置は、直列に接続された複数の蓄電モジュールと、各蓄電モジュールを制御する制御装置とを備え、蓄電モジュールは、電池部と、コントローラと、通信部と、コントローラと通信部との間を絶縁する第1の絶縁部と、第1の絶縁部の耐圧より高い耐圧の第2の絶縁部とを備え、各蓄電モジュールの通信部と制御装置との間に第2の絶縁部が設けられる。

Description

本技術は、蓄電モジュール、蓄電装置、蓄電システム、制御方法、電子機器、電動車両および電力システムに関する。
近年では、リチウムイオン二次電池などの二次電池の用途が太陽電池、風力発電などの新エネルギーシステムと組み合わせた電力貯蔵用蓄電装置、自動車用蓄電池等に急速に拡大している。例えば、下記特許文献1には、大出力を発生するために複数の蓄電モジュールを直列に接続する構成が採用される。
特開2011−259545号公報
二次電池の用途によっては、例えば鉄道システムのようにより大出力を要求される場合があり、これらの要求に応じた蓄電システムを構築することが望まれている。
したがって、本技術は、高電圧を出力できる蓄電システムに対応した、蓄電モジュール、蓄電装置、蓄電システム、制御方法、電子機器、電動車両および電力システムを提供することを目的の一つとする。
上述の課題を解決するために、本技術は、例えば、
電池部と、
コントローラと、
通信部と、
コントローラと通信部との間を絶縁する第1の絶縁部と、
第1の絶縁部の耐圧より高い耐圧の第2の絶縁部と
を備える蓄電モジュールである。
また、本技術は、例えば、
直列に接続された複数の蓄電モジュールと、
各蓄電モジュールを制御する制御装置と
を備え、
蓄電モジュールは、
コントローラと、
通信部と、
コントローラと通信部との間を絶縁する第1の絶縁部と、
第1の絶縁部の耐圧より高い耐圧の第2の絶縁部とを備え、
各蓄電モジュールの通信部と制御装置との間に第2の絶縁部が設けられる蓄電装置である。
本技術は、例えば
上記蓄電装置を複数、備え、
複数の蓄電装置が直列に接続されて成り、
各制御装置と通信を行う統合制御装置を備える
蓄電システムである。
本技術は、上記蓄電システムから、電力の供給を受ける電子機器でもよい。
本技術は、上記蓄電システムから、電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置と、蓄電装置に関する情報に基づいて車両制御に関する情報処理を行なう制御装置とを有する電動車両でもよい。
本技術は、他の機器とネットワークを介して信号を送受信する電力情報送受信部とを備え、送受信部が受信した情報に基づき、上記蓄電システムの充放電制御を行う電力システムでもよい。
本技術は、上記蓄電システムから、電力の供給を受け、または発電装置または電力網から蓄電システムに電力を供給する電力システムでもよい。
本技術は、例えば、
上記蓄電システムにおける制御方法であり、
統合制御装置が、
複数の蓄電装置のうち、所定の蓄電装置の出力を選択的に負荷に供給する制御を行い、
所定の蓄電装置の出力を選択的に負荷に供給した場合に、所定の蓄電装置の放電電流を上限値より小さい範囲内において増加させる制御を行う
制御方法である。
本技術の少なくとも一の実施形態によれば、高電圧を出力できる蓄電システムに対応した蓄電モジュール、蓄電装置、蓄電システム、制御方法、電子機器、電動車両および電力システムを提供することが可能となる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本技術中に記載されたいずれの効果であってもよい。また、例示された効果により本技術の内容が限定して解釈されるものではない。
図1は、第1の実施形態における蓄電システム等の構成例を説明するためのブロック図である。 図2は、実施形態におけるストリングの構成例を説明するための図である。 図3は、実施形態における蓄電モジュールの分解斜視図である。 図4は、実施形態における蓄電モジュールの接続形態を説明するための図である。 図5は、実施形態におけるストリングの主な構成を説明するための図である。 図6は、実施形態におけるストリングの詳細な構成を説明するための図である。 図7は、実施形態における蓄電モジュールの多層配線基板に対する部品の実装状態を示す図である。 図8は、実施形態における第1絶縁部の回路構成を示す図である。 図9A、図9Bは、実施形態におけるプリント基板アンテナの具体例を説明するための図である。 図10A、図10Bは、実施形態における2層配線基板および4層配線基板を説明するための断面図である。 図11は、実施形態におけるバランス回路の構成例を説明するための図である。 図12は、実施形態におけるスイッチの具体例を示す図である。 図13は、バランス制御の一例を説明するための図である。 図14は、バランス制御の処理の流れの一例を説明するためのフローチャートである。 図15は、第2の実施形態における蓄電システム等の構成例を説明するためのブロック図である。 図16は、第2の実施形態におけるバイパス回路の構成例を説明するための図である。 図17は、第2の実施形態におけるバイパス回路の動作例を説明するための図である。 図18は、第2の実施形態における効果の一例を説明するためのグラフである。 図19は、第2の実施形態における主要な処理の流れを説明するためのフローチャートである。 図20は、第2の実施形態における充電処理における処理の流れを説明するためのフローチャートである。 図21は、第2の実施形態において、所定のストリングに異常が生じた場合に行われる処理の流れを説明するためのフローチャートである。 図22は、第2の実施形態におけるストリングの復帰動作の処理の流れを説明するためのフローチャートである。 応用例を説明するための図である。 応用例を説明するための図である。
以下、本技術の実施形態等について図面を参照しながら説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
<1.第1の実施形態>
<2.第2の実施形態>
<3.応用例>
<4.変形例>
以下に説明する実施形態等は本技術の好適な具体例であり、本技術の内容がこれらの実施形態等に限定されるものではない。
「二次電池の一例について」
始めに、本技術の実施形態等に対して適用可能な二次電池について説明する。二次電池の一例は、正極活物質と、黒鉛等の炭素材料を負極活物質として含むリチウムイオン二次電池であり、正極材料としてオリビン構造を有する正極活物質を含有するものである。
オリビン構造を有する正極活物質としてさらに好ましくは、リチウム鉄リン酸化合物(LiFePO4 )、または、異種原子を含有するリチウム鉄複合リン酸化合物(LiFe x1-x4 :Mは1種類以上の金属、xは0<x<1である。)が好ましい。また、Mが2種以上の場合は、各々の下付数字の総和が1−xとなるように選定される。
Mとしては、遷移元素、IIA族元素、IIIA族元素、IIIB族元素、IVB族元素等が挙げられる。特にコバルト(Co),ニッケル,マンガン(Mn),鉄,アルミニウム,バナジウム(V),およびチタン(Ti)のうちの少なくとも1種を含むものが好ましい。
正極活物質は、リチウム鉄リン酸化合物またはリチウム鉄複合リン酸化合物の表面に、該酸化物とは異なる組成の金属酸化物(例えば、Ni、Mn、Liなどから選択されるもの)やリン酸化合物(例えば、リン酸リチウム等)等を含む被覆層が施されていてもよい。
リチウム(Li)を吸蔵および放出することが可能な正極材料として、層状岩塩構造を有するコバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMnO2)、スピネル構造を有するマンガン酸リチウム(LiMn24)などのリチウム複合酸化物が使用されてもよい。
負極活物質として使用される黒鉛としては、特に限定はなく、業界において用いられる黒鉛材料を広く用いることができる。負極の材料として、チタン酸リチウム、シリコン(Si)系材料、スズ(Sn)系材料等が使用されてもよい。
電池の電極の製造法としては、特に限定はなく、業界において用いられている方法を広く用いることができる。
本技術に用いられる電解液としては、特に限定はなく、液状、ゲル状を含み、業界において用いられる電解液を広く用いることができる。
「蓄電システムについて」
図1は、本技術の第1の実施形態における蓄電システム1A等の構成を示した図である。蓄電システム1Aは、概略、直列に接続された4個のストリングSTR1〜4と、統合制御装置としての統合コントローラINCとを備えている。ストリングSTRは、16個の蓄電モジュールMODが直列に接続されることにより構成される蓄電モジュール群SMODと、個々の蓄電モジュールMODを制御する制御装置としてのコントロールボックスICNTとを備えており、コントロールボックスICNTと統合コントローラINCとの間で通信ができるように構成されている。なお、統合コントローラINCはEMU(Energy Management Unit)と、コントロールボックスICNTはBMU(Battery Management Unit)とそれぞれ称される場合がある。
実施形態では1個の蓄電モジュールMODが51.2V(ボルト)程度を出力する。この蓄電モジュールMODが16個、直列に接続された蓄電モジュール群SMODは、820V(51.2V×16)程度を出力する。すなわち、1ストリングSTR当たりの出力は820V程度であり、4個のストリングSTRが直列に接続された蓄電システム1Aは、3280V(820V×4)程度の高電圧を出力することができる。蓄電システム1Aの出力が、高電圧を必要とする鉄道等の負荷2に対して供給される。
図1に示す直流電力供給システムに対して、系統3がAC(Alternating Current)−DC(Direct Current)コンバータ4を介して接続されている。系統3は、例えば2500〜3500V程度の高電圧を供給する高電圧配電系統である。系統3から交流電力が供給される場合には、交流電力がAC−DCコンバータ4により直流電力に変換される。系統3から供給される電力を負荷2に対して供給してもよく、系統3から供給される電力により蓄電システム1Aにおける所定の蓄電モジュールMODを充電してもよい。蓄電システム1Aの出力を系統3を介して電力会社等に供給し売電がなされてもよい。
なお、詳細は説明するが、統合コントローラINC、コントロールボックスICNT、各蓄電モジュールMODは、直流絶縁電圧として蓄電システム1Aの出力以上を可能とした絶縁部を備えている。一例として、本開示の実施形態の絶縁部においては、直流絶縁電圧として4kV(キロボルト)を可能としている。
「ストリングについて」
ストリングSTRは、複数の蓄電モジュールMODとコントロールボックスICNTとを組み合わせた単位である。図2に示すように、一例として16個の蓄電モジュールMOD1〜MOD16が直列に接続される。蓄電モジュールMOD1〜MOD16が絶縁部ISを介してインターフェースバスBSと接続されている。
個々の蓄電モジュールMODは、図示しないモジュールコントローラを備えており、各モジュールコントローラがコントロールボックスICNTと接続されている。コントロールボックスICNTが充電管理、放電管理、劣化抑制等のための管理を行う。コントロールボックスICNTは、マイクロコンピュータによって構成されている。
蓄電モジュールMOD内のバス並びに蓄電モジュールMODとコントロールボックスICNTとを接続するバスBSとしては、シリアルインターフェースが使用される。シリアルインターフェースとしては、具体的にSMバス(System Management Bus)、CAN(Controller Area Network)、SPI(Serial Peripheral Interface)等が使用される。例えばI2Cバスを使用することができる。I2Cバスは、SCL(シリアルクロック)と双方向のSDA(シリアル・データ)の2本の信号線で通信を行う同期式のシリアル通信である。
各蓄電モジュールMODのモジュールコントローラとコントロールボックスICNTとの間で通信がなされる。この通信により、各蓄電モジュールMODの内部状態の情報、すなわち、電池情報をコントロールボックスICNTが受け取り、各蓄電モジュールMODの充電処理および放電処理が管理される。コントロールボックスICNTが16個の蓄電モジュールの直列接続の出力(16×51.2V)を負荷2に対して供給する。なお、蓄電モジュールMODの個数は16個に限定されることはなく、適宜変更することができる。
「蓄電モジュールの一例」
図3は、蓄電モジュールMODの機械的構成を示す分解斜視図である。蓄電モジュールMODの外装ケースは、板金加工された金属製の外装下ケース5aおよび外装上ケース5bからなる。外装下ケース5aおよび外装上ケース5bの材料としては、高い熱伝導率および輻射率を有する材料を用いることが好ましい。優れた筐体放熱性を得ることができ、ケース内の温度上昇を抑制することができる。例えば、外装下ケース5aおよび外装上ケース5bの材料は、アルミニウムまたはアルミニウム合金または銅または銅合金である。ケースの背面には、蓄電モジュールMODに対して充放電のための外部正極端子6および外部負極端子7が設けられている。
さらに、蓄電モジュールMODの背面に電流遮断器8が設けられている。電流遮断器8を設けることで、安全性を向上させることができる。さらに、ケース5内に配されている制御回路との間の通信用のコネクタ部9が設けられている。制御回路は、電池ユニットの温度の監視を行い、充電、放電等を制御するために設けられている。さらに、ケースの前面には、動作状態を示すLED等の表示素子が設けられている。
ケース5の外装下ケース5aが箱状の構成を有し、その開口を覆うように、外装上ケース5bが設けられる。外装下ケース5aの収納スペース内に、サブモジュールAS1〜AS4が収納される。サブモジュールAS1〜AS4をビス止め等により固定するために、外装下ケース5aの底面に複数のボスが形成されている。サブモジュールAS1〜AS4は、予めケースの外において組み立てられる。
各サブモジュールは、複数の電池ブロックを副収納ケースとしての絶縁性のケースによって一体化したものである。サブモジュールのケースとしては、プラスチック等のモールド部品を使用することができる。サブモジュールAS1〜AS4は、内部の電池ブロックの正極端子および負極端子が露出しないように、複数の電池ブロックをケース内に収納するものである。
一つの電池ブロックは、例えば8本の円筒状リチウムイオン二次電池を並列接続したものである。サブモジュールAS1およびAS2は、それぞれ6個の電池ブロックを上ケースおよび下ケースによって一体化したものである。サブモジュールAS3およびAS4は、それぞれ2個の電池ブロックを上ケースおよび下ケースによって一体化したものである。したがって、合計(6+6+2+2=16個)の電池ブロックが使用される。これらの電池ブロックが例えば直列に接続される。
サブモジュールAS1〜AS4のそれぞれにおいて、電池ブロックを直列接続するために、接続用の金属板例えばバスバーが使用される。バスバーは、細長い棒状の金属である。バスバーには、電池ブロックから導出されている接続金属板等との接続のために複数の穴が形成されている。
図4に示すように、それぞれ8本の電池が並列に接続された電池ブロックB1〜B16が直列に接続されている。8本の電池を並列接続することは8P(Parallel)と称される。16個の電池ブロックを直列に接続することは16S(Series)と称される。したがって、図4に示す各蓄電モジュールMODの電池部(電池ブロックグループと称する場合がある)BBは、8P16Sの構成を有するものとされている。電池ブロックB1〜B16は、それぞれ各蓄電モジュールMODの制御装置としてのモジュールコントローラCNTに接続され、充放電が制御される。充放電は、外部正極端子6および外部負極端子7を介してなされる。例えば電池ブロックB1〜B6がサブモジュールAS1に含まれており、電池ブロックB11〜B16がサブモジュールAS2に含まれている。さらに、電池ブロックB7およびB10がサブモジュールAS3に含まれ、電池ブロックB8およびB9がサブモジュールAS4に含まれる。上述したリチウムイオン二次電池を適用した蓄電モジュールMODは51.2V(16×3.2V)を出力する。なお、電池部の構成は適宜変更することができる。
各電池ブロックの正負電極間の電圧等の情報がバス10を介して、コントローラとしてのモジュールコントローラCNTに対して供給される。モジュールコントローラCNTは、各電池ブロックの電圧、電流、および温度をモニタし、モニタした結果を電池情報として出力する。
図5および図6を参照して、蓄電モジュールMODについて詳細に説明する。各蓄電モジュールMODは、通信部COMと、第1絶縁部ISAと、モジュールコントローラCNTと、電池ブロックグループBBと、第2絶縁部ISBとを備えている。なお、図では、各構成に蓄電モジュールMOD毎に対応した参照符号が付加されている。また、図示が煩雑となることを防止するため、一部の構成に対する参照符号を省略している。
蓄電モジュールMODとコントロールボックスICNTと間が通信用ラインL1およびL2と、電源用ラインLpとにより接続される。通信用ラインL1およびL2を通じてコントロールボックスICNTと蓄電モジュールMOD1〜MOD16との間で双方向通信がなされる。通信方式として、例えばCANが使用される。最近では、CANは、車載LANとして使用されている。
モジュールコントローラCNTは、例えば、電池ブロックB1〜B16の両端の電圧と各電池ブロックの電圧を順次出力するマルチプレクサと、マルチプレクサにより選択された一のアナログ電圧データをデジタル電圧データに変換するA/Dコンバータ(ADC)と、後述するバランス処理を行うためのスイッチング制御や通信部と通信を行うための制御部(REGCNT)とを含んで構成されている。制御部に対しては、コントロールボックスICNTから通信を介して制御信号が入力される。なお、モジュールコントローラCNTにより電池ブロックB1〜B16の温度、電流等が取得されるようにしてもよい。
モジュールコントローラCNT(ADC、制御部等)は、低電圧(例えば、3.5V〜5V程度)の電源で動作することができる低電圧電源部である。本技術では、低電圧電源部に対する電源をコントロールボックスICNTから供給するように構成されている。電池ブロックB1〜Bnから電源を供給すると、蓄電モジュールMOD間のバランスが崩れるおそれがある。本技術では、モジュールコントローラCNTの低電圧電源部に対する電源をコントロールボックスICNTから供給するので、かかる問題を生じない。
各蓄電モジュールMODの通信部COMは、通信を行うための通信部と、通信部COMの各部を制御するMCU(Micro Controller Unit)と、電源部とを含んで構成されている。コントロールボックスICNTから電源部に対して、電源用ラインLpを通じて例えば3.5Vの電源電圧が入力される。
第1絶縁部ISAは、通信部COMとモジュールコントローラCNTとの間を絶縁する機能を有する。すなわち、通信部COMの電源の基準電位と、モジュールコントローラCNTの電源の基準電位とが分離され、独立したものとされる。さらに、絶縁した状態において、第1絶縁部ISAは、通信部COMの電源部を介して入力される電源電圧をモジュールコントローラCNTに対して供給する機能と、双方向通信の伝送媒体としての機能とを備えている。
第1絶縁部ISAを通じてなされる双方向通信方式としては、CANの規格を使用できる。第1絶縁部ISAを通じてなされる電力伝送方式としては、電磁誘導方式、磁界共鳴方式、電波受信方式等を使用することができる。
本技術では、非接触ICカード技術を使用する。非接触ICカード技術は、リーダー/ライター(R/W)のアンテナコイルとカード(Card)のアンテナコイルを磁束結合させて、リーダー/ライターとカード間で通信および電力伝送を行う。通信は、13.56kHzの周波数の搬送波をASK(Amplitude Shift Keying)変調する方式を利用し、212もしくは424kbpsの速度が行われる。第1絶縁部ISAは、上記非接触ICカード方式と同様の仕様にしている。さらに、第1絶縁部ISAは、多層プリント基板の異なる層に形成したアンテナ(コイル)間で通信および電力伝送を行うようになされる。
図7に示すように、多層プリント基板21上にコントロールボックスICNTを構成するMPU(Micro Processing Unit)、非接触ICカード方式のリーダー/ライター側のLSI(Large Scale Integrated Circuit:大規模集積回路) 22がマウントされている。さらに、プリント基板アンテナ23および24、非接触ICカード方式のカード側のLSI25、並びにモジュールコントローラCNTが多層プリント基板21上にマウントされている。
図8に概念的に示すように、非接触ICカード方式においては、リーダー/ライター部26のアンテナ23から例えば搬送波振幅が2〜13Vopで、変調度が10%程度のカード部27に対する送信信号が形成される。送信信号がアンテナ23からカード部27のアンテナ24に送信される。アンテナ24において、受信された信号は、例えば搬送波振幅が2〜13Vopで、変調度が10%程度の高周波信号である。受信した信号を平滑化することによって、カード部27における電源が形成される。カード部27における消費電力は、充分小さいものである。
プリント基板アンテナの一例について説明する。アンテナが導電パターンとして形成される多層プリント基板21としては、図9Aに示すように、4個の配線層LY1〜LY4を有する4層プリント基板が使用される。または図9Bに示すように、2個の配線層LY11、LY12を有する2層プリント基板が使用される。
図10Aに示すように、1次側(リーダー/ライター側)のアンテナ23が渦巻き状パターン31a、直線状パターン31bおよび直線状パターン31cによって形成される。4層プリント基板の第4の配線層LY4上に渦巻き状のパターン31aが形成され、パターン31aの中心部の端部がランドおよびスルーホールを介して第3の配線層LY3のランド32aに接続される。ランド32aからランド32bの間に直線状のパターン31bが形成される。ランド32bがスルーホールおよび第3の配線層LY3のランドを介して直線状のパターン31cに接続される。パターン31aおよび31cの端部が図示しないコネクタに接続される。
図10Bに示すように、2次側(カード側)のアンテナ24が渦巻き状パターン41a、直線状パターン41b、直線状パターン41cおよび直線状パターン41dによって形成される。コネクタ(図示しない)と一端が接続された渦巻き状のパターン41aが4層プリント基板の第1の配線層LY1に形成される。ランド42a、スルーホールおよび第2の配線層LY2のランドを介して直線状のパターン41bと接続される。パターン41bの一端がランド42b、スルーホールを介して第1の配線層LY1のランドと接続される。直線状のパターン41cの一端がこの第1の配線層LY1のランドと接続される。直線状のパターン41cの他端がコネクタ(図示せず)と接続される。さらに、渦巻き状のパターン41aと接続されたランド42cに対して直線状のパターン41dの一端が接続される。直線状のパターン41dの他端が基準電位点に接続される。
パターンが交差する場合には、異なる配線層のパターンによってプリント基板アンテナが構成されている。異なる配線層間を接続するために、スルーホールとランドが使用される。その結果、第4の配線層に図10Aに示すように、不要なランド32c、32dが発生し、第1の配線層に不要なランド42dが発生する。
上述したパターンをプリント基板の他の配線層に形成するのに代えて、ジャンパー線を使用するようにしても良い。すなわち、図10Aにおけるパターン31b、並びに図10Bにおけるパターン41bおよび41dの代わりにジャンパー線が使用される。この場合には、2層プリント基板を使用でき、スルーホールを形成することが不要となり、不要なランドが発生することを防止することができる。スルーホールを形成しないことによって、プリント基板の絶縁耐圧をより高くすることが可能となる。
第1絶縁部ISAは、1次側アンテナと2次側アンテナとの間の絶縁をプリント基板によって行っている。したがって、本技術の第1絶縁部ISAにおいては、直流絶縁電圧として1000V程度が可能となる。さらに、双方向通信および電力伝送が可能な利点があり、コストを低くすることができる。
第2絶縁部ISBは、モジュールコントローラCNTとコントロールボックスICNTとの間を絶縁する機能を有している。具体的には、電源用ラインLpにおいて、蓄電モジュールMODの通信部COMとコントロールボックスICNTとの間を絶縁する機能を有している。第2絶縁部ISBは、一例として、トランスを用いた絶縁トランス方式を使用しているがこれに限定されるものではない。また、通信用ラインL1、L2に第2絶縁部と同様の絶縁部が設けられてもよい。第2絶縁部ISBの絶縁耐圧は、第1絶縁部ISAの絶縁耐圧よりも大きく、また、蓄電システム1Aの出力より大きく設定されている。本実施形態では、蓄電システム1Aが3280V程度を出力するので、第2絶縁部ISBの絶縁耐圧は、4kV(4000V)に設定している。第2絶縁部ISBを設ける構成とすることにより、異常時等において蓄電システム1Aの出力が電源用ラインLpを介して蓄電モジュールMODに漏洩し、通信部COM、モジュールコントローラCNTが破損等してしまうことを防止することができる。
「セルバランスについて」
図6に示すように、蓄電モジュールMOD1〜MOD16に対してバランス回路50が接続されている。バランス回路50は、蓄電モジュールMOD1〜MOD16の電圧を等しくするように制御する回路である。バランス回路50によってなされるバランス制御としては、アクティブボトムセルバランス制御とアクティブトップセルバランス制御とを例示することができる。アクティブボトムセルバランス制御は、ある電池ブロックグループBBが使用下限電圧に到達した時点で最も容量が残っている(最高電位)電池ブロックグループBBから他の容量が最も少ない(最低電位)電池ブロックグループBBに電力を移して残っている容量をほぼ等しくする制御である。アクティブトップセルバランス制御は、ある電池ブロックグループBBが使用上限電圧に到達した時点で最も容量が多い(最高電位)電池ブロックグループBBから他の容量が最も少ない(最低電位)電池ブロックグループBBに電力を移して残っている容量をほぼ等しくする制御である。バランス制御としてパッシブ方式を適用することも可能であるが、アクティブ方式の方が容量を有効に利用することができるので好ましい。
図11は、実施形態におけるバランス回路50の構成例を示す図である。図11に示すように、1次側コイルW1と、2次側コイルW01と、磁芯M1とによって、フライバックトランスT1が構成される。1次側コイルW1とスイッチS1が直列接続され、2次側コイルW01とスイッチS01が直列接続される。同様に、1次側コイルW2〜W16と、2次側コイルW02〜W016と、磁芯M2〜M16と、によって、フライバックトランスT2〜T16が構成される。1次側コイルW2〜W16とスイッチS2〜S16が直列に接続される。2次側コイルW02〜W016とスイッチS02〜S016とが直列に接続される。
フライバックトランスT1の1次側コイルW1とスイッチS1の直列回路が蓄電モジュールMOD1の電池ブロックグループBB1の正側および負側と接続される。他の1次側コイルW2〜W16とスイッチS2〜S16のそれぞれの直列回路が、対応する蓄電モジュールMOD2〜MOD16の電池ブロックグループBB2〜BB16の正側および負側と接続される。
バランス回路50は、蓄電素子51を備えており、この蓄電素子51によって共通電源電圧CVが発生する。共通電源電圧CVは、電池ブロックグループの直列接続の合計の電圧819.2Vよりも低い電圧とされる。好ましくは、2次側スイッチの耐圧のほぼ1/3の電圧以下に設定される。例えば電池ブロックグループの単位電圧(51.2V)とほぼ等しい値に設定される。共通電源電圧CVの電位は、トータルの放電電流と、トータルの充電電流とを制御することで、溢れず、枯渇せず、所望の電圧になるように制御される。
蓄電素子51は、電池、コンデンサ等である。蓄電素子51によって、一方の共通電源ラインCL+が共通電源電圧CVとされ、他方の共通電源ラインCL−が0Vとされる。他方の共通電源ラインCL−は、複数の蓄電モジュールの電池ブロックグループの直列接続の電源(V−)とは接続されていない別の電源とされている。但し、共通電源ラインCL−を電源V−に接続しても良い。分割された2次側コイルW01〜W016の一端が共通電源ラインCL+にそれぞれ接続され、分割された2次側コイルW01〜W016の他端がスイッチS01〜S016を通じて共通電源ラインCL−にそれぞれ接続される。
スイッチS0〜S16並びにスイッチS01〜S016は、例えばMOSFETによって構成される。図12に示すように、例えばフライバックトランスT1のスイッチS01は、MOSFETQ01とそのドレイン・ソース間に接続されたダイオードD01とによって構成され、スイッチS1は、MOSFETQ1とそのドレイン・ソース間に接続されたダイオードD1とによって構成される。スイッチのオン/オフは、コントロールボックスICNTの制御部(HOST)の制御に応じてモジュールコントローラCNTが制御する。コントロールボックスICNTは、各蓄電モジュールのモジュールコントローラCNTからの電圧の監視結果の情報を受け取って、コントロール信号(パルス信号)を生成する。なお、MOSFET以外に、IGBT((Insulated Gate Bipolar Transistor):絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)等の半導体スイッチ素子を使用しても良い。なお、スイッチ(MOSFETとそのドレイン・ソース間に接続されたダイオードで構成される)は、ソース→ドレイン方向に流れる電流に対しては、コントロール信号が無くてもダイオードを通じて自動的に電流が流れる(自動的スイッチのオン)。
2次側コイルW01〜W016とスイッチS01〜S016の直列回路には、共通電源電圧CVが印加される。例えば1次側コイルおよびスイッチに印加される電圧と同様の電圧(51.2V)に共通電源電圧CVを設定することによって、2次側スイッチS01〜S016の耐圧を154V程度とすることができる。このような耐圧は、2次側スイッチS01〜S016を構成する半導体スイッチにとってそれほど高い値ではなく、バランス回路50を構成することが容易となる。
フライバックトランスT1〜T16のそれぞれは、1次側コイルと2次側コイルの巻線比は、1と限定されないが、1次側と2次側とで位相が逆とされている。さらに、フライバックトランスT1〜T16は、双方向に電力を伝送することができる。したがって、1次側および2次側の表記は、便宜上のものであり、1次側から2次側への電力伝送、並びに2次側から1次側への電力伝送の何れも可能である。
フライバックトランスT1を例にとると、スイッチS1およびS01がオフの状態からスイッチS1がオンすると、コイルW1に電流が流れ、磁芯M1が磁化される。スイッチS1がオンの期間コイルW1には、時間と共に増大する電流が流れる。次に、スイッチS1をオフとし、スイッチS01をオンとすると、磁芯が磁化されているので、コイルW01には、スイッチS01を介して電流が流れる。この電流は、時間と共に減少する電流となる。他のフライバックトランスの動作も同様である。フライバックトランスは、結合インダクタとしての機能を有する。
図11の構成におけるアクティブトップセルバランス制御では、1次側スイッチを制御することによって、最も電圧が高い電池ブロックグループから蓄電素子51に対して電力が移動される。さらに、2次側スイッチを制御することによって、電圧が最も低い蓄電モジュールの電池ブロックグループに対して電力が移動される。このように、本技術によるバランス回路50は、双方向フライバックトランスを2段介して電力を移動させる。
一例として、図13に示すように、電池ブロックグループBB3の電圧が最も高く56.5Vであり、電池ブロックグループBB2の電圧が最も低く55.9Vである場合の動作を説明する。まず、フライバックトランスT3のスイッチS3がオンとされ、電池ブロックグループBB3を電源として1次側コイルW3に電流が流れる。次に、スイッチS3がオフとされ、スイッチS03がオンとされる。電磁エネルギーによって、2次側コイルW03に電流が流れ、蓄電素子51が充電される。
次に、スイッチS03がオフとされると共に、フライバックトランスT2のスイッチS02がオンとされ、蓄電素子51によって、2次側コイルW02に電流が流れる。次に、スイッチS02がオフとされると共に、スイッチS2がオンとされ、1次側コイルW2に流れる電流によって、電池ブロックグループBB2が充電される。このようにして、アクティブトップセルバランス制御がなされる。
上位コントローラとしてのコントロールボックスICNTは、各蓄電モジュールMODの電圧を監視しており、検出した蓄電モジュールの電池が互いに等しくなると、モジュール間バランス制御動作を停止するように制御する。そして、蓄電モジュールの電圧に差が生じた場合に、モジュール間バランス制御動作を開始するようになされる。なお上述の例ではアクティブトップセルバランス制御を例にして説明したが、アクティブボトムセルバランス制御がなされてもよく、同様のスイッチ制御がなされることにより蓄電モジュールMOD1〜MOD16の電圧が等しくなるようにされる。
図14は、バランス制御(例えば、アクティブトップセルバランス制御)の処理の流れの一例を説明するためのフローチャートである。始めに、ステップST1において、蓄電モジュールMODの電圧がモジュールコントローラCNTにより監視される。なお、この処理は例えば周期的に行われる。そして処理がステップST2に進み、ステップST2において、コントロールボックスICNTは、モジュールコントローラCNTから周期的に送信される各蓄電モジュールMODの電圧を取得する。
ステップST3において、各蓄電モジュールMODの電圧のうち最大電圧Vmaxが閾値(例えば、55.2V)以上であるか否かを判断する。最大電圧Vmaxが閾値より小さい場合には、処理がステップST2に戻り判断処理が繰り返される。最大電圧Vmaxが閾値以上である場合には、処理がステップST4に進む。
ステップST4では、コントロールボックスICNTがバランス制御の開始を蓄電モジュールMODに指示し、所定のスイッチを順次オン/オフすることによりバランス制御が行われる。なお、バランス制御の詳細については、既に例を示して説明しているため重複した説明を省略する。そして、処理がステップST5に進む。
ステップST5では、コントロールボックスICNTが各蓄電モジュールMODにおいて測定された電圧を取得する。そして、処理がステップST6に進む。ステップST6では、コントロールボックスICNTが全ての蓄電モジュールMODの電圧が所定の範囲内、例えば、54.4V以上、54.8V以下の範囲内であるか否かを判断する。全ての蓄電モジュールMODの電圧が所定の範囲内でなければ処理がステップST4に戻りバランス制御が継続され、全ての蓄電モジュールMODの電圧が所定の範囲内であれば処理がステップST7に進み、バランス制御が終了される。
「コントロールボックスについて」
図6を再び参照して、コントロールボックスICNTについて説明する。コントロールボックスICNTは、共通電源ラインCLを介して蓄電素子51と接続されており、蓄電素子51からコントロールボックスICNTに対して電圧が供給されるように構成されている。コントロールボックスICNTは、例えば、制御部(HOST)61と、電力カウント部62と、通信部63と、AC/DCコンバータ64と、電力供給部65と、DC−DCコンバータ66と、第3の絶縁部としての絶縁部ISCとを含んで構成されている。
各構成について、概略的に説明する。制御部61は、コントロールボックスICNTの動作を制御し、各モジュールコントローラCNTに対する制御を実行する。電力カウント部62は、蓄電システム1Aの出力電力を安定化させるものであり、負荷2に対して供給する電力を再計算等したりする。通信部63は、モジュールコントローラCNTの通信部COMと通信を行うためのものである。AC/DCコンバータ64は、必要に応じて交流電力を直流電力に変換するものである。
電力供給部65は、DC−DCコンバータ66から供給される電源電圧を交流信号に適宜変換して蓄電モジュールMODに供給するものである。DC−DCコンバータ66は、蓄電素子51から入力される共通電源電圧CVからモジュールコントローラCNTの電源電圧(例えば、5V)を生成するものである。DC−DCコンバータ66により生成された電源電圧が電源用ラインLpを介して蓄電モジュールMODに供給され、さらに、第2絶縁部ISB、通信部COM、第1絶縁部ISAを介してモジュールコントローラCNTに供給される。
絶縁部ISCは、共通電源ラインCLにおいて蓄電素子51とコントロールボックスICNTとの間に設けられており、モジュールコントローラCNTの第2絶縁部ISBと同様の絶縁耐圧(例えば、4kV)を可能としている。絶縁部ISCを設けることにより、蓄電システム1Aの異常等に起因して蓄電システム1Aの出力が共通電源ラインCLを介してコントロールボックスICNTに漏洩し、コントロールボックスICNTが破損等してしまうことを防止している。
コントロールボックスICNTは、統合コントローラINCと通信可能に接続されている。コントロールボックスICNTと統合コントローラINCとの間の通信線は、例えば、コントロールボックスICNTと蓄電モジュールMOD間の通信線と同様に、並列通信線で接続されている。これにより、1のストリングSTRに障害が起きた場合でも他のストリングSTRとの通信を確保することができる。
「統合コントローラについて」
統合コントローラINCについて、概略的に説明する。統合コントローラINCは通信部、制御部等を備えており、コントロールボックスICNTや負荷が備える制御装置と通信可能とされている。
なお、コントロールボックスICNTが共通電源電圧CVから統合コントローラINCの電源電圧を生成し、供給するようにしてもよい。この場合、統合コントローラINCが、統合コントローラINCとコントロールボックスICNTとの間を絶縁する第4の絶縁部としての絶縁部を備えるようにしてもよい。この絶縁部の絶縁耐圧を第2絶縁部ISBや絶縁部ISCと同様にすることで、蓄電システム1Aの異常等に起因して蓄電システム1Aの出力が統合コントローラINCに漏洩し、統合コントローラINCが破損等してしまうことを防止できる。
以上、第1の実施形態では、複数の蓄電モジュールを直列に多数、接続することにより高電圧を出力可能としている。また、二次電池の一例として上述したリチウムイオン二次電池を使用している。このため、鉛蓄電池に比べて多数、直列した場合の接続抵抗による放電電圧の低下や充電電圧の上昇が起きるおそれがない。また、蓄電システムを供給系統に直結し、蓄電システムの出力を昇圧回路等を使用することなく供給している。大電力に対応した昇圧回路等は大型化しシステム全体が大型化するおそれがあるが、実施形態では昇圧回路を使用していないため、システムの小型化を実現できる。また、昇圧回路等における電力ロスが生じることを防止できる。また、蓄電システムの電力をそのまま接続、供給しているため、負荷の電力変動に伴い蓄電システム側の電圧変動がほとんど無く、大電力の負荷を接続した際に蓄電システム側の電圧変動を最小限とすることができる。
<2.第2の実施形態>
次に、第2の実施形態について説明する。特に断らない限り、第1の実施形態で説明した事項は第2の実施形態に適用することができる。
図15は、本技術の第2の実施形態における蓄電システム1B等の構成を示したものである。蓄電システム1Bは、第1の実施形態における蓄電システム1Aの構成に対して、バイパス回路60が追加されたものである。第2の実施形態について概略的に説明すれば、第2の実施形態では、あるストリングSTRに異常が生じた場合にバイパス回路60を介して正常なストリングSTRの出力のみを負荷2に供給する。このとき、蓄電モジュールMODに流れる電流を所定の上限値の範囲内において増加させ、電力出力量を維持するようにしている。
「バイパス回路について」
図16を参照して、バイパス回路60の一例について説明する。電力供給ラインの−(マイナス)出力端子が接続点T1a、スイッチSW10およびコイルL10を介してストリングSTR1の電力ラインのマイナス側に接続されている。ストリングSTR1の電力ラインの+側が、接続点T1b、接続点T1bと接続される接続点T2a、スイッチSW20およびコイルL20を介してストリングSTR2の電力ラインのマイナス側に接続されている。ストリングSTR2の電力ラインの+側が、接続点T2b、接続点T2bと接続される接続点T3a、スイッチSW30およびコイルL30を介してストリングSTR3の電力ラインのマイナス側に接続されている。ストリングSTR3の電力ラインの+側が、接続点T3b、接続点T3bと接続される接続点T4a、スイッチSW40およびコイルL40を介してストリングSTR4の電力ラインのマイナス側に接続されている。ストリングSTR4の電力ラインの+側が、接続点T4bを介して電力供給ラインの+(プラス)出力端子に接続されている。
一方、接続点T1aから分岐して接続点T1bに接続される経路としてバイパス経路BL1が形成されており、バイパス経路BL1における接続点T1a、接続点T1b間には、接続点T1a側からコイルL11およびスイッチSW11が設けられている。また、接続点T2aから分岐して接続点T2bに接続される経路としてバイパス経路BL2が形成されており、バイパス経路BL2における接続点T2a、接続点T2b間には、接続点T2a側からコイルL21およびスイッチSW21が設けられている。
また、接続点T3aから分岐して接続点T3bに接続される経路として、バイパス経路BL3が形成されており、バイパス経路BL3における接続点T3a、接続点T3b間には、接続点T3a側からコイルL31およびスイッチSW31が設けられている。また、接続点T4aから分岐して接続点T4bに接続される経路としてバイパス経路BL4が形成されており、バイパス経路BL4における接続点T4a、接続点T4b間には、接続点T4a側からコイルL41およびスイッチSW41が設けられている。
スイッチSW10、11のオン/オフはコントロールボックスICNT1によって制御される。スイッチSW20、21のオン/オフはコントロールボックスICNT2によって制御される。スイッチSW30、31のオン/オフはコントロールボックスICNT3によって制御される。スイッチSW40、41のオン/オフはコントロールボックスICNT4によって制御される。なお、各コイルは交流成分を除去する等の目的で設けられているものであり、必ずしも必要とするものではない。
バイパス回路60の動作について説明する。各ストリングSTRが正常な場合は、スイッチSW10、20、30および40がオンされ、スイッチSW11、21、31および41がオフされる。これにより、全てのストリングSTRの出力が負荷2に対して供給される。ここで、例えば、図17に示すように、ストリングSTR3に異常が生じたとする。この場合、コントロールボックスICNT3は、異常を統合コントローラINCに通知し、統合コントローラINCの制御に応じて、コントロールボックスICNT3がスイッチSW30をオフし、スイッチSW31をオンする。これにより、バイパス経路BL3を介して、換言すれば、ストリングSTR3をスルーした状態、すなわち、正常なストリングSTRの出力のみが選択的に負荷2に供給されることになる。
ここで、単純にストリングSTR3を切り離すだけでは蓄電システム1Bの出力が低下してしまう。一ストリングSTR当たりの出力を820Vとした場合、蓄電システム1Bの出力が3280Vから2460V(3280V−820V)に低下してしまう。そこで、第2の実施形態では、正常なストリングSTRの蓄電モジュールMODに流れる電流を上限値の範囲内において増加し、負荷2に対して供給する電力を一定とする。
具体例を使用して説明する。ストリングSTR3の異常を通知された統合コントローラINCは、コントロールボックスICNT3に上述したスイッチSW30、31のオン/オフを指示する。さらに、統合コントローラINCは、正常なストリングSTR1,2,4のコントロールボックスICNT1,2,4,に対して、放電電流の増加を指示する。
ストリングSTR1を例にしてより具体的に説明する。コントロールボックスICNT1は、ストリングSTR1を構成する蓄電モジュールMODに対して放電電流の増加を指示する。通常の放電電流を0.5Cとした場合に、コントロールボックスICNT1は、放電電流を0.75Cに設定する。ここで、C(Capacity)はここでは充電/放電電流の大きさの単位の一つであり、例えば、1Cとは、1時間で充電または放電が終了する充電電流または放電電流の大きさである。放電電流は、蓄電モジュールMODの電流路に可変抵抗を接続し、抵抗値を変化させること等によりその大きさを変更できる。
数値の一例として、各ストリングSTRにおける蓄電モジュールMODの通常時の放電電流を10A(アンペア)とした場合に、負荷には約32kW(3200V×10A)の電力を供給することができる。ストリングSTR3に異常が発生した場合には、電圧が約2400Vに低下してしまうが、正常なストリングSTR1,2,4における蓄電モジュールMODの放電電流を15Aに設定することにより、負荷には通常時と同様の約36kW(2400V×15A)の電力を供給することができる。
仮に、ストリングSTR2,3に異常が発生した場合にも同様の処理がなされる。ストリングSTR2,3に異常が発生した場合には、電圧が約1600Vに低下してしまうが、正常なストリングSTR1,4における蓄電モジュールMODの放電電流を24A(20A程度でもよい)に設定することにより、負荷には通常時と同様の約38kW(1600V×24A)の電力を供給することができる。
図18は、上述した制御をグラフ化したものである。図中、グラフVG1は、蓄電システム1Bの出力電圧を示し、グラフPG1は、蓄電システム1Bの供給電力を示している。蓄電システム1Bを構成する4ストリングSTRの全てが正常である場合には、蓄電システム1Bの出力電圧は約3200Vである。ここで負荷2に対して電力の供給を開始(給電開始)した後、1のストリングSTRに異常が生じた場合でも、上述したように他の正常なストリングSTRを動作させつつ放電電流を大きくすることで、通常時と略同様の電力を負荷に供給できる。さらに、2のストリングSTRに異常が生じた場合でも、上述したように他の正常なストリングSTRを動作させつつ、さらに放電電流を大きくすることで通常時と略同様の電力を負荷に供給できる。
なお、蓄電モジュールMODの放電電流の上限値は、仕様により予め設定されている。例えば、上限値を25Aとして説明する。仮に、ストリングSTR1,2,3に異常が発生した場合にも、ストリングSTR4の放電電流を40A程度に設定すれば理論上、正常時と同様の電力(32kW)を負荷に供給できる。しかしながら、40Aは上限値を超えているため、このような場合には、ストリングSTR4のみで負荷2に電力を供給することはせずに、系統3から供給される電力をAC−DCコンバータ4を介して負荷2に供給する。
「制御の流れ」
図19,20,21、22のフローチャートを参照して制御の流れについて説明する。図19は、主要な処理の流れを示すフローチャートである。ステップST11では、統合コントローラINCが各コントロールボックスICNTと通信を行い、ストリングSTRにおける各蓄電モジュールMODの電圧を取得する。各蓄電モジュールMODの電圧が所定の範囲内にあれば正常と判断し、そうでなければ異常と判断する。異常と判断した場合には、処理がステップST20に進み蓄電システム1Bを停止する。各蓄電モジュールMODの電圧が正常と判断した場合には、処理がステップST12に進む。
ステップST12では、統合コントローラINCが負荷2と通信を行い負荷2が必要とする電力を確認する。そして処理がステップST13に進む。
ステップST13では、ストリングSTR間の接続、蓄電システム1Bと負荷2との間の接続、蓄電モジュールMOD間の接続等が正常であるか否かの確認がなされる。接続に異常が発見された場合には、処理がステップST20に進み蓄電システム1Bを停止する。接続が正常であれば、処理がステップST14に進む。
ステップST14では、蓄電システム1Bから放電がなされる。なお、ここでは放電を例にして説明しているが、充電が行われるようにしてもよい。そして、処理がステップST16、17に進む。
ステップST16、17では、統合コントローラINCが周期的に蓄電モジュールMODの電圧が所定範囲内にあるか否かを確認するとともに、コントロールボックスICNTからストリングSTRに異常が生じた旨の通知があるか否かを確認する。ストリングSTRの異常とは、ストリングSTRを構成する蓄電モジュールMODの温度の急激な上昇、断線等の破損を例示できる。ステップST17において、蓄電モジュールMODの電圧が急激に低下等し所定範囲内から外れた場合には、処理がステップST20に進み蓄電システム1Bの出力を停止し、系統3から負荷2に対して電力を供給する。また、ストリングSTRに異常が生じた場合には、後述する処理に処理が進む。蓄電モジュールMODの電圧が正常であり、ストリングSTRに異常がない場合は、処理がステップST17に進む。
ステップST17では、統合コントローラINCが負荷2の電力を取得して確認する。この処理が周期的に行われてもよい。そして、処理がステップST18に進む。
ステップST18では、負荷2が必要とする電力が変動した場合に、必要に応じて蓄電システム1から出力する電力を変更して放電する処理が行われる。例えば、蓄電モジュールMODの放電電流を増加または減少させることにより、蓄電システム1Bが出力する電力を変更する。そして、処理がステップST19に進む。
ステップST19では、蓄電モジュールMODの残量が周期的にチェックされる。蓄電モジュールMODの電圧のうち最小の電圧Vが所定値Vminより大きければ処理がステップST14に進み、放電が継続される。電圧Vが所定値Vminに達した場合には、処理がステップST20に進み、蓄電システム1Bの出力を停止し、系統3から負荷2に対して電力を供給する。
図20のフローチャートを参照して、充電処理(図19において「A」と表記する処理)について説明する。始めに、ステップST31において、充電の可否が判断される。すなわち、各蓄電モジュールMODの電圧Vが所定範囲内(Vmin<V<Vmax)にあるか否かが判断される。各蓄電モジュールMODの電圧Vが所定範囲内にない場合、例えば、ある蓄電モジュールMODが過放電(過充電)の状態にある場合は、処理を終了し充電を行わないようにしている。各蓄電モジュールMODの電圧Vが所定範囲内にある場合は、処理がステップST32に進み、例えば、系統3から供給される電力により充電がなされる。そして、処理がステップST33に進む。
ステップST33では、各蓄電モジュールMODの電圧Vが確認され、いずれの電圧Vが所定範囲内(Vmin<V<Vmax)にある場合は処理がステップST31に戻り、充電が継続する。電圧Vのうち、最大の電圧がVmaxに達した場合には、処理がステップST34に進み、バランス制御が行われる。バランス制御については、第1の実施形態で詳細に説明しているため、重複した説明を省略する。バランス制御が行われた後、処理が終了する。
図21のフローチャートを参照して、あるストリングSTRに異常が生じた場合の処理(図19において「B」と表記する処理)について説明する。始めにステップST41において正常なストリングSTRにおける蓄電モジュールMODの放電電流を設定し、負荷2に対して通常時と同様の電力を供給できるように電力値を設定する処理がなされる。ここで、複数のストリングSTRに異常が生じ、新たに設定する放電電流Iが上限値Imaxを超える場合には、処理がステップST46に進む。ステップST46では、蓄電システム1Bからの出力を停止し、AC−DCコンバータ4をオンし、系統3から負荷2に対して電力を供給する。新たに設定する放電電流Iが上限値Imaxを超えない場合には、処理がステップST42に進む。
ステップST42、43では、バイパス回路60の所定のスイッチをオン/オフすることにより、異常が生じたストリングSTRを切り離して放電する。そして、処理がステップST44に進む。
ステップST44では、蓄電モジュールMODの電圧が周期的に確認される。ここで、蓄電モジュールMODの電圧が設定値より低下等した場合には、処理がステップST45に進み、蓄電システム1Bからの出力を停止する。そして、処理がステップST46に進み、AC−DCコンバータ4をオンし、系統3から負荷2に対して電力を供給する。
図22のフローチャートを参照して、ストリングSTRの復帰動作について説明する。ステップST51では、異常が生じたストリングSTRの一部または全ての蓄電モジュールMODを修理、交換した後、ステップST52、53において試験的に放電、充電等を行い、交換したストリングSTRの動作確認を行う。
ストリングSTRが正常に動作することが確認された場合には、処理がステップST54に進み蓄電システム1Bが停止される。このとき、負荷2が電力を必要とする場合には、系統3からの電力が供給される。そして、処理がステップST55に進み、交換したストリングSTRと他のストリングSTRとが接続される。なお、このとき交換したストリングSTRと他のストリングSTRとの間でバランス制御が行われてもよい。そして処理がステップST56に進む。
ステップST56では、バイパス回路60の所定のスイッチがオン/オフされ、交換後のストリングSTRが蓄電システム1Bに接続され、負荷2に対しては交換後のストリングSTRからの出力を含む電力が供給される。そして処理が終了する。
以上説明した第2の実施形態によれば、あるストリングに異常が生じた場合でも蓄電システムを停止することなく、他のストリングを使用して負荷に電力を供給することが可能となる。また、ストリングにおける蓄電モジュールの放電電流を増加させることで、負荷に対して安定した電力供給を維持することが可能となる。
<3.応用例>
「応用例としての住宅における蓄電システム」
本技術を住宅用の蓄電システムに適用した例について、図23を参照して説明する。例えば住宅101用の蓄電システム100においては、火力発電102a、原子力発電102b、水力発電102c等の集中型電力系統102から電力網109、情報網112、スマートメータ107、パワーハブ108等を介し、電力が蓄電装置103に供給される。これと共に、家庭内発電装置104等の独立電源から電力が蓄電装置103に供給される。蓄電装置103に供給された電力が蓄電される。蓄電装置103を使用して、住宅101で使用する電力が給電される。住宅101に限らずビルに関しても同様の蓄電システムを使用できる。
住宅101には、発電装置104、電力消費装置105、蓄電装置103、各装置を制御する制御装置110、スマートメータ107、各種情報を取得するセンサ111が設けられている。各装置は、電力網109および情報網112によって接続されている。発電装置104として、太陽電池、燃料電池等が利用され、発電した電力が電力消費装置105および/または蓄電装置103に供給される。電力消費装置105は、冷蔵庫105a、空調装置105b、テレビジョン受信機105c、風呂105d等である。さらに、電力消費装置105には、電動車両106が含まれる。電動車両106は、電気自動車106a、ハイブリッドカー106b、電気バイク106cである。
蓄電装置103に対して、上述した本技術の蓄電システムが適用される。蓄電装置103は、二次電池又はキャパシタから構成されている。例えば、リチウムイオン二次電池によって構成されている。リチウムイオン二次電池は、定置型であっても、電動車両106で使用されるものでも良い。スマートメータ107は、商用電力の使用量を測定し、測定された使用量を、電力会社に送信する機能を備えている。電力網109は、直流給電、交流給電、非接触給電の何れか一つまたは複数を組み合わせても良い。
各種のセンサ111は、例えば人感センサ、照度センサ、物体検知センサ、消費電力センサ、振動センサ、接触センサ、温度センサ、赤外線センサ等である。各種センサ111により取得された情報は、制御装置110に送信される。センサ111からの情報によって、気象の状態、人の状態等が把握されて電力消費装置105を自動的に制御してエネルギー消費を最小とすることができる。さらに、制御装置110は、住宅101に関する情報をインターネットを介して外部の電力会社等に送信することができる。
パワーハブ108によって、電力線の分岐、直流交流変換等の処理がなされる。制御装置110と接続される情報網112の通信方式としては、UART(Universal Asynchronous Receiver-Transceiver:非同期シリアル通信用送受信回路)等の通信インターフェースを使う方法、Bluetooth(登録商標)、ZigBee(登録商標)、Wi−Fi等の無線通信規格によるセンサネットワークを利用する方法がある。Bluetooth(登録商標)方式は、マルチメディア通信に適用され、一対多接続の通信を行うことができる。ZigBee(登録商標)は、IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.15.4の物理層を使用するものである。IEEE802.15.4は、PAN(Personal Area Network) またはW(Wireless)PANと呼ばれる短距離無線ネットワーク規格の名称である。
制御装置110は、外部のサーバ113と接続されている。このサーバ113は、住宅101、電力会社、サービスプロバイダーの何れかによって管理されていても良い。サーバ113が送受信する情報は、たとえば、消費電力情報、生活パターン情報、電力料金、天気情報、天災情報、電力取引に関する情報である。これらの情報は、家庭内の電力消費装置(たとえばテレビジョン受信機)から送受信しても良いが、家庭外の装置(たとえば、携帯電話機等)から送受信しても良い。これらの情報は、表示機能を持つ機器、たとえば、テレビジョン受信機、携帯電話機、PDA(Personal Digital Assistants)等に、表示されても良い。
各部を制御する制御装置110は、CPU(Central Processing Unit )、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)等で構成され、この例では、蓄電装置103に格納されている。制御装置110は、蓄電装置103、家庭内発電装置104、電力消費装置105、各種センサ111、サーバ113と情報網112により接続され、例えば、商用電力の使用量と、発電量とを調整する機能を有している。なお、その他にも、電力市場で電力取引を行う機能等を備えていても良い。
以上のように、電力が火力発電102a、原子力発電102b、水力発電102c等の集中型電力系統102のみならず、家庭内発電装置104(太陽光発電、風力発電)の発電電力を蓄電装置103に蓄えることができる。したがって、家庭内発電装置104の発電電力が変動しても、外部に送出する電力量を一定にしたり、または、必要なだけ放電するといった制御を行うことができる。例えば、太陽光発電で得られた電力を蓄電装置103に蓄えると共に、夜間は料金が安い深夜電力を蓄電装置103に蓄え、昼間の料金が高い時間帯に蓄電装置103によって蓄電した電力を放電して利用するといった使い方もできる。
なお、この例では、制御装置110が蓄電装置103内に格納される例を説明したが、スマートメータ107内に格納されても良いし、単独で構成されていても良い。さらに、蓄電システム100は、集合住宅における複数の家庭を対象として用いられてもよいし、複数の戸建て住宅を対象として用いられてもよい。
「応用例としての車両における蓄電システム」
本技術を車両用の蓄電システムに適用した例について、図24を参照して説明する。図24に、本技術が適用されるシリーズハイブリッドシステムを採用するハイブリッド車両の構成の一例を概略的に示す。シリーズハイブリッドシステムはエンジンで動かす発電機で発電された電力、あるいはそれを電池に一旦貯めておいた電力を用いて、電力駆動力変換装置で走行する車である。
このハイブリッド車両200には、エンジン201、発電機202、電力駆動力変換装置203、駆動輪204a、駆動輪204b、車輪205a、車輪205b、電池208、車両制御装置209、各種センサ210、充電口211が搭載されている。電池208に対して、上述した本技術の蓄電システムが適用される。
ハイブリッド車両200は、電力駆動力変換装置203を動力源として走行する。電力駆動力変換装置203の一例は、モータである。電池208の電力によって電力駆動力変換装置203が作動し、この電力駆動力変換装置203の回転力が駆動輪204a、204bに伝達される。なお、必要な個所に直流−交流(DC−AC)あるいは逆変換(AC−DC変換)を用いることによって、電力駆動力変換装置203が交流モータでも直流モータでも適用可能である。各種センサ210は、車両制御装置209を介してエンジン回転数を制御したり、図示しないスロットルバルブの開度(スロットル開度)を制御したりする。各種センサ210には、速度センサ、加速度センサ、エンジン回転数センサなどが含まれる。
エンジン201の回転力は発電機202に伝えられ、その回転力によって発電機202により生成された電力を電池208に蓄積することが可能である。
図示しない制動機構によりハイブリッド車両が減速すると、その減速時の抵抗力が電力駆動力変換装置203に回転力として加わり、この回転力によって電力駆動力変換装置203により生成された回生電力が電池208に蓄積される。
電池208は、ハイブリッド車両の外部の電源に接続されることで、その外部電源から充電口211を入力口として電力供給を受け、受けた電力を蓄積することも可能である。
図示しないが、二次電池に関する情報に基いて車両制御に関する情報処理を行なう情報処理装置を備えていても良い。このような情報処理装置としては、例えば、電池の残容量に関する情報に基づき、電池残容量表示を行う情報処理装置などがある。
なお、以上は、エンジンで動かす発電機で発電された電力、或いはそれを電池に一旦貯めておいた電力を用いて、モータで走行するシリーズハイブリッド車を例として説明した。しかしながら、エンジンとモータの出力がいずれも駆動源とし、エンジンのみで走行、モータのみで走行、エンジンとモータ走行という3つの方式を適宜切り替えて使用するパラレルハイブリッド車に対しても本技術は有効に適用可能である。さらに、エンジンを用いず駆動モータのみによる駆動で走行する所謂、電動車両に対しても本技術は有効に適用可能である。
<4.変形例>
なお、本技術は、以下のような構成も取ることができる。
(1)
電池部と、
コントローラと、
通信部と、
前記コントローラと前記通信部との間を絶縁する第1の絶縁部と、
前記第1の絶縁部の耐圧より高い耐圧の第2の絶縁部と
を備える蓄電モジュール。
(2)
直列に接続された複数の蓄電モジュールと、
各蓄電モジュールを制御する制御装置と
を備え、
前記蓄電モジュールは、
コントローラと、
通信部と、
前記コントローラと前記通信部との間を絶縁する第1の絶縁部と、
前記第1の絶縁部の耐圧より高い耐圧の第2の絶縁部とを備え、
各蓄電モジュールの前記通信部と前記制御装置との間に前記第2の絶縁部が設けられる蓄電装置。
(3)
各蓄電モジュールの電池部の電圧を等しくするように制御し、蓄電素子を有するバランス回路を備える
(2)に記載の蓄電装置。
(4)
前記制御装置と前記蓄電素子とが、前記電池部が接続される電力ラインとは異なる共通電源ラインを介して接続され、
前記制御装置は、前記蓄電素子から供給される電圧に基づいて、前記コントローラの電源電圧を生成し、前記電源電圧が前記第2の絶縁部を介して前記通信部に供給されるように構成される
(3)に記載の蓄電装置。
(5)
前記蓄電素子と前記制御装置との間に、第3の絶縁部が設けられる
(3)または(4)に記載の蓄電装置。
(6)
(2)に記載の蓄電装置を複数、備え、
前記複数の蓄電装置が直列に接続されて成り、
各制御装置と通信を行う統合制御装置を備える
蓄電システム。
(7)
前記統合制御装置が第4の絶縁部を備える
(6)に記載の蓄電システム。
(8)
前記複数の蓄電装置のうち、所定の蓄電装置の出力を選択的に負荷に供給するバイパス回路を備える(6)または(7)に記載の蓄電システム。
(9)
前記統合制御装置は、所定の蓄電装置の出力を選択的に負荷に供給した場合に、前記所定の蓄電装置の放電電流を上限値より小さい範囲内において増加させる制御を行うように構成される
(8)に記載の蓄電システム。
(10)
(6)に記載の蓄電システムにおける制御方法であり、
前記統合制御装置が、
前記複数の蓄電装置のうち、所定の蓄電装置の出力を選択的に負荷に供給する制御を行い、
所定の蓄電装置の出力を選択的に負荷に供給した場合に、前記所定の蓄電装置の放電電流を上限値より小さい範囲内において増加させる制御を行う
制御方法。
(11)
(6)に記載の蓄電システムから、電力の供給を受ける電子機器。
(12)
(6)に記載の蓄電システムから、電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置と、前記蓄電装置に関する情報に基づいて車両制御に関する情報処理を行なう制御装置とを有する電動車両。
(13)
他の機器とネットワークを介して信号を送受信する電力情報送受信部とを備え、
前記送受信部が受信した情報に基づき、(6)に記載の蓄電システムの充放電制御を行う電力システム。
(14)
(6)に記載の蓄電システムから、電力の供給を受け、または発電装置または電力網から前記蓄電システムに電力を供給する電力システム。
以上、本技術の実施形態について具体的に説明したが、上述の各実施形態に限定されるものではなく、本技術の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料および数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料および数値などを用いてもよい。
また、上述の実施形態の構成、方法、工程、形状、材料および数値などは、本技術の主旨を逸脱しない限り、互いに組み合わせることが可能である。また、本技術は、装置、素ステムに限らず、方法等により実現することができる。
MOD・・・蓄電モジュール
CNT・・・モジュールコントローラ
ICNT・・・コントロールボックス
INC・・・統合コントローラ
BB・・・電池ブロックグループ
ISA・・・第1絶縁部
ISB・・・第2絶縁部
ISC,ISD・・・絶縁部
COM・・・通信部
CL+,CL−・・・共通電源ライン
50・・・バランス回路
51・・・蓄電素子
60・・・バイパス回路

Claims (14)

  1. 電池部と、
    コントローラと、
    通信部と、
    前記コントローラと前記通信部との間を絶縁する第1の絶縁部と、
    前記第1の絶縁部の耐圧より高い耐圧の第2の絶縁部と
    を備える蓄電モジュール。
  2. 直列に接続された複数の蓄電モジュールと、
    各蓄電モジュールを制御する制御装置と
    を備え、
    前記蓄電モジュールは、
    コントローラと、
    通信部と、
    前記コントローラと前記通信部との間を絶縁する第1の絶縁部と、
    前記第1の絶縁部の耐圧より高い耐圧の第2の絶縁部とを備え、
    各蓄電モジュールの前記通信部と前記制御装置との間に前記第2の絶縁部が設けられる蓄電装置。
  3. 各蓄電モジュールの電池部の電圧を等しくするように制御し、蓄電素子を有するバランス回路を備える
    請求項2に記載の蓄電装置。
  4. 前記制御装置と前記蓄電素子とが、前記電池部が接続される電力ラインとは異なる共通電源ラインを介して接続され、
    前記制御装置は、前記蓄電素子から供給される電圧に基づいて、前記コントローラの電源電圧を生成し、前記電源電圧が前記第2の絶縁部を介して前記通信部に供給されるように構成される
    請求項3に記載の蓄電装置。
  5. 前記蓄電素子と前記制御装置との間に、第3の絶縁部が設けられる
    請求項3に記載の蓄電装置。
  6. 請求項2に記載の蓄電装置を複数、備え、
    前記複数の蓄電装置が直列に接続されて成り、
    各制御装置と通信を行う統合制御装置を備える
    蓄電システム。
  7. 前記統合制御装置が第4の絶縁部を備える
    請求項6に記載の蓄電システム。
  8. 前記複数の蓄電装置のうち、所定の蓄電装置の出力を選択的に負荷に供給するバイパス回路を備える請求項6に記載の蓄電システム。
  9. 前記統合制御装置は、所定の蓄電装置の出力を選択的に負荷に供給した場合に、前記所定の蓄電装置の放電電流を上限値より小さい範囲内において増加させる制御を行うように構成される
    請求項8に記載の蓄電システム。
  10. 請求項6に記載の蓄電システムにおける制御方法であり、
    前記統合制御装置が、
    前記複数の蓄電装置のうち、所定の蓄電装置の出力を選択的に負荷に供給する制御を行い、
    所定の蓄電装置の出力を選択的に負荷に供給した場合に、前記所定の蓄電装置の放電電流を上限値より小さい範囲内において増加させる制御を行う
    制御方法。
  11. 請求項6に記載の蓄電システムから、電力の供給を受ける電子機器。
  12. 請求項6に記載の蓄電システムから、電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置と、前記蓄電装置に関する情報に基づいて車両制御に関する情報処理を行なう制御装置とを有する電動車両。
  13. 他の機器とネットワークを介して信号を送受信する電力情報送受信部とを備え、
    前記送受信部が受信した情報に基づき、請求項6に記載の蓄電システムの充放電制御を行う電力システム。
  14. 請求項6に記載の蓄電システムから、電力の供給を受け、または発電装置または電力網から前記蓄電システムに電力を供給する電力システム。
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